(1) 高速機用省エネ定着システム（採用機種：ディジタル複合機 AR-555S/625S/705S シリーズ）
香川
シャープ株式会社

ドキュメントシステム事業本部

敏章、光岡

ドキュメントシステム事業本部

１．はじめに裕士ドキュメント商品開発センター
山中

シャープ株式会社

徹典、木田孝師、井上達也

ドキュメントシステム事業部

こうした背景から，当社では、高速化と省エネ性をオフィスにおける生産性向上に対する要求から、デ両立した新規定着システム（外部ローラ加熱定着方式）

ィジタル複合機は高速化へのシフトが急速に進行してを開発し、2004 年 1 月に発売した高速ディジタル複きているが、高速機（50～70 枚/分）では中低速機に合機 AR-555S/625S/705S シリーズ（図 2）に搭載し比べてより多くの電力を消費するため、高速機におけた。本稿では,この外部ローラ加熱定着システムを構成る省エネルギー化が非常に重要な課題となってきていする各要素技術と、本定着システムによる省エネ効果る。図 1 は、従来の高速機（65 枚/分）における消費について紹介する。

電力比率を示したものであるが、全消費電力のうち、定着システムで消費される電力が大半（72%）を占めて

２．高速定着における省エネ技術課題
従来、モノクロ定着システムとしては、図 3 に示すいることがわかる。

ように内部にハロゲンランプからなる熱源を有する金属製ローラ（定着ローラ）と、これに圧接し、定着ニップを形成するゴムローラ（加圧ローラ）とからなる
2 ローラ方式が一般的に採用されている。図 1 より、Warm-Up(7%)
Run(24%)Stand-by (18%)
Low Power (23%)
Other(28%)

定着で消費される電力の中でも待機中（スタンバイ＋低電力時）に消費される割合が約 56%と最も多く、Fuser (72%)

Cleaning Roller

図 1.

高速機(65cpm)における消費電力比率
Thermistor
Halogen Lamp
Fusing Roller
Nip

Thermistor

Pressure Roller

Cleaning Roller

図 2．AR-705S

外観図 3. 従来定着システム構成（2 ローラ方式）-1-定着システムの省エネ化を実現するには、ウオームアで定着ローラの温度降下を極力遅くする対策を施してップ時間（W.U.T.）を短縮することで待機中におけるおり、これにより更に W.U.T.が長くなるといった弊害

定着の予熱温度を低くし、待機時電力を削減するのががあった。

最も有効であることがわかる。そこで中低速機用定着

今回、我々は外部ローラ加熱技術等の新規要素技術

システムでは、定着ローラの薄肉化や定着ベルトの採を導入することで、短 W.U.T.化による省エネ化とコン用によって W.U.T.を短縮し、省エネ化を実現した定着ティニュアスランによるリアルスループットを実現し技術が既に数多く実用化されてきている。

た高速機対応新規定着システム（外部ローラ加熱定着一方、図 4 に示すように、速度が速くなるに従い、方式）を開発した。以下に、本定着技術の詳細につい用紙が定着ニップ部を通過する時間（ニップ通過時間）て解説する。

が短くなるため、これを補うために定着温度を高くしていく必要がある。しかしながら、定着ローラの耐熱３．外部ローラ加熱定着システム性（通常約 200℃）の点から、高速機では定着温度が3.1限界であるため、定着荷重（面圧）を高くして接触熱定着システム構成
今回開発した定着システムの断面図を図5に示す。

抵抗を低くし、且つ定着ローラを大径化して定着ニッ

W.U.T.短縮に対しては、以下の3つの手段がある。

プを拡大することで定着性を確保する必要がある。そa)定着部材の低熱容量化（ローラ薄肉化、ベルト化）の結果、高速機では定着ローラの熱容量が非常に大きb)定着部材の局所加熱（外部加熱、ニップ集中加熱）

く、且つ定着ローラからの放熱量も多く、W.U.T.短縮c)ウオームアップ時実効電力の増大（省エネ化）に対する技術課題となっていた。

（熱源の高効率化、位相制御による電力有効活用）

更に高速機では定着以外での電力消費が多く、その分定着への電力配分が少なくなる。その結果、動作時にまたコンティニュアスランの実現には、以下の 2 つおける消費電力量が供給電力量を上回り、連続で動作の手段がある。

し続けると定着温度が低下するため、定着温度の低下d)動作時実効電力の増大に応じて印字速度を低下させたり印字動作を一時的に（熱源の高効率化、位相制御による電力有効活用）停止しなければならず、スループットが低下してしまe)定着ユニットの熱効率向上う課題があった。このため、従来の高速機では定着ローラの熱容量を必要以上に大きくし、ウオームアップ

Thermistor1,2

時に定着ローラに十分な熱エネルギーを蓄熱すること

Fu sing rolle r te mp.

200
Fusing temperature（℃）

Middle/ Low spe ed range

180

1000

Halogen Lamp1

900

Halogen Lamp2

800700Fu sin g pressu re160600140500Pre ssu re rolle r te mp.

1204001003008020060100

Fusing pressure(kPa)240
High spe ed range
220

Thin Shell
Fusing Roller

Heat Reflector

Nip

Thermistor3
Pressure Roller

40

Halogen Lamp3

0102030
Dwell time(msec)

40

Cleaning Roller

50

External Heating Roller
Cleaning Pad

図 4. ニップ通過時間と定着温度、荷重、面圧の関係-2-

図 5. 外部ローラ加熱定着システム構成

そこで本定着システムでは以下の 4 つの特長要素技度推移を比較した結果である。これより、加圧ローラ術を導入することで、W.U.T.の短縮とコンティニュア温度を約 40deg 高温に維持できていることがわかる。

スランを実現している。

30①外部加熱ローラによる加圧ローラ表面の急速・高効

25
Dwell time(msec)

率加熱技術②鉄製薄肉定着ローラによる低熱容量化技術③ヒータ配熱最適設計による温度均一化並びに位相制

20

▲38%

1510御による 3 ヒータ電力最適制御技術

Process speed：395mm/s
Fusing roller temp.： 200℃

5④定着ローラのクリーナレス化及び熱反射板設置によ0る定着ユニットの高効率熱設計技術

3.260

外部ローラ加熱技術

80100120140
Pressure roller temperature（℃）

160

図 6. 加圧ローラ温度と必要ニップ通過時間の関係

第2章で述べたように、従来の2ローラ方式では定着ローラ側にのみ熱源を有し、加圧ローラ側には熱源が得るためにゴム層を有し、このゴム層が熱的に不良導体であるため、ローラ内部に熱源を設けた場合、熱伝達効率が非常に悪くなり、かえってW.U.T.が長くなってしまうためである。
そのため、従来の高速機用定着システムでは、定着Temperature(℃)

ない。この理由としては、加圧ローラは定着ニップを220200180160140120100806040200

Fusing roller

Pressure roller0

ローラを大径化し、定着ニップを広げることで必要な306090

定着エネルギーを確保していた。

(a) Non-existence of a external heating roller

一方、本定着システムでは、加圧ローラ表面に当接用紙に対して定着ローラ側からだけでなく、加圧ローラ側からも積極的に熱を供給することで、従来に比べて狭い定着ニップで必要な熱エネルギーを確保している。

Temperature(℃)

させた薄肉・小径の加熱ローラ（外部加熱ローラ）によって、加圧ローラを外部から効率的に加熱・昇温し、

120 150 180 210 240 270 300Time(sec.)

220200180160140120100806040200

Fusing roller

Pressure roller

External heating roller0

図 6 は、1 次元の熱伝導解析により加圧ローラ温度

306090120150180210240270300

Time(sec.)と必要ニップ通過時間の関係を計算した結果である。
(b) Existence of a external heating roller

これより、加圧ローラ温度を 50deg（90→140℃）引き上げれば、ニップ通過時間としては、約 38%低減可

図 7. 外部加熱ローラ有無による温度比較能であることがわかる。
その結果、2 ローラ方式における定着/加圧ローラの直径 60mm に対し、本定着システムでは中速機（30～50枚/分クラス）と同じ 40mm の小径化を実現している。
図 7 は、外部加熱ローラの有無による各ローラの温-3-3.3

定着ローラ低熱容量化技術

定着ローラの低熱容量化を図るには、小径化と併せて芯材を薄肉化するのが有効であるが、芯材を小径・薄肉化した場合、たわみの増加が課題となる。

従来、定着ローラにはアルミニウム製芯材が一般的に用いてられているが、本システムではアルミに比べの異なる 2 本のハロゲンランプを配置（ツインヒータ）する事で温度バランスの改善を図っている。て機械的強度に優れる鉄製芯材を用いることで、薄肉図 9 にツインヒータの概略図を示す。ハロゲンラン化を実現している。図8は、定着ローラ芯材材質による

プ 1(HL1)は定着ローラ中央部に、またハロゲンランプ

熱容量とたわみの関係を示したものであるが、鉄製芯2(HL2)は定着ローラ両端部に発熱領域を有し、各々サ材を用いることで1/2～1/3の低熱容量化を図れることーミスタ 1,2 により独立に制御される。

がわかる。
これにより、表 1 に示すように、外部ローラ加熱技

Thermistor1(for HL1)

Thin Shell
Fusing Roll

Halogen
Lamp1

Halogen
Lamp2

Heat Generation Area

Thermistor2(for HL2)

術による小径化効果と併せて、定着ローラの熱容量を従来比 1/6 以下に低減することができた。
250

made of aluminum
made of steel

Bending(μｍ）

200

図 9.

150

ツインヒータ構成

100

このツインヒータシステムは、既に当社中速機で実50施している技術であるが、高速機では電力的な制約が大きく、且つ鉄製芯材によるローラ軸方向の熱伝導性0100

200300400の低下により、よりシビアな熱設計が要求される。

Heat capacity(J/℃)

図 8.

定着ローラ熱容量とたわみ量の関係

従来のハロゲンランプは、図 10 に示すように、非発熱領域においても 30%程度の配熱分布を有しており、こ

表 1.

定着ローラ仕様比較
従来方式
芯材材質
アルミニウム
ローラ径60mm
芯材肉厚9mm
熱容量比
1

れが電力的な制約の大きい高速機において温度バラン
本方式
鉄40mm
1.3mm
0.15

ス改善の障害となる。そこで、今回、この非発熱領域の配熱分布を 10%以下に抑えた新規ランプ（パーシャルタイプ）の適用による温度バランス改善効果について、3 次元熱伝導解析により最適化検討を行った。
結果を表 2 に示す。表 2 より、4 種類の組み合わせ

3.4

温度均一化/電力最適制御技術の中で HL1:ノーマルタイプ、HL2:パーシャルタイプ

定着ローラを低熱容量化した場合、ローラ軸方向での熱伝導性が低下するため、ローラ軸方向における温110

また、コンティニュアスランの実現のためには、限られた定着電力を複数のヒータで如何に効率よく活用するかがポイントとなる。
次に、本定着システムにおける温度均一化並びに電力最適制御技術について説明する。

Heat distribution（％）

100度バランスが課題となる。

9080HL1(Normal type)

70HL1(Partial type)

60HL2(Normal type)504030HL2(Partial type)20100-180 -150 -120 -90

3.4.1-60-3003060

90position(mm)

ツインヒータ配熱最適設計
図 10.

本定着システムでは、定着ローラ内に配熱パターン-4-

ツインヒータ配熱分布120150180の組み合わせが最も温度制御性に優れることがわかる。

3.5.1

定着ローラクリーナレス化による熱負荷低尚、2 本共にパーシャルタイプを用いた場合、ラン

図 4 に示すように、従来の高速機用定着システムでプの取付位置ばらつきや製造時の配熱ばらつきに起因は、定着ローラと加圧ローラの両方にクリーニングシする温度ばらつきの影響が大きくなる。この理由としステムが設置されており、これが熱負荷となっていた。ては、パーシャルタイプは図 10 に示すように発熱領域

そこで、本定着システムでは熱負荷の影響の大きいと非発熱領域の間の配熱変化（傾き）が大きく、2 本定着ローラ側のクリーナレス化を実現することで、熱のランプの位置関係により、このクロスオーバー領域効率の改善を図っている。

でのトータル発熱量のばらつきが大きくなるためであ

その手段として、まず第 1 に、定着ローラに対する静電オフセットを防止し、定着ローラへのミクロなトる。

ナーの付着を抑制した。具体的には、加圧ローラ表面
表 2.に被覆しているフッ素樹脂製チューブを導電性(105ハロゲンランプによる性能比較

小サイズ紙 取付/配熱 小サイズ紙端部昇温
ばらつき
追従性
Ｎ/Ｎ
×○×
Ｐ/Ｎ
○○×
Ｎ/Ｐ
○
○○
Ｐ/Ｐ○×
○
N: Normal type, P: Partial typeΩ)とすることで加圧ローラの摩擦帯電による電位上HL1/HL2昇を抑えると同時に、表 4 に示すように、定着ローラ及び加圧ローラをフローティングとすることで、微小な静電オフセットも解消した。

表 4.
3.4.2

3 ヒータ電力最適制御

表 2 に示すように、3 本のヒータは位相制御によりいずれも 4 段階の出力電力を設定している。そして、
HL1→HL2→HL3 の優先順位に従って、各モードでのト静電オフセット比較

Fusing Roller(Roller current)
GND(0.8μA)
Float(0μA)
Float(0μA)
GND(0.05μA)

Pressure Roller(Roller current)
Float(0μA)
Float(0μA)
GND(0.8μA)
GND(0.75μA)

Electrostatic
offset×○○○

ータル電力が最大となるように制御仕様を設定してい定着ローラをアース(GND)ではなく、フローティングる。

(Float)とすることで静電オフセットが改善される理表 3.

由を図 11 に示す。図のように、マイナス帯電した用紙ヒータ電力制御仕様

ＨＬ１
ＨＬ２
ＨＬ３

Power control(W)770/700/430/0
423/200/150/0
470/428/150/0

により定着ローラは静電誘導されるが、誘導された定着ローラ内のマイナス電荷がアースに逃げないので、トナー（マイナス）と定着ローラ間で静電吸着力が作用しないためと考察する。

3.5

定着システムの高効率熱設計

コンティニュアスランを実現するには、定着システ

FusingRollerムの熱効率を向上し、定着システムでの消費電力を供Paper

ChargeToner

給電力以下に抑える必要がある。
特に定着ローラは他のローラに比べ、温度、表面積の点から放熱量が最も大きいことから、定着ローラに対する熱負荷を如何に低減し、且つ定着ローラからの放熱を抑制するかが熱効率改善のポイントとなる。

PressureRoller

図 11.

-5-

静電オフセット発生メカニズム

また、定着ローラクリーナレス化の第 2 のポイント

図 13 にウオームアップ時間及び定着部でのエネルとして、定着ローラに比べ加圧ローラのトナー離型性ギー消費効率の比較結果を示す。これより、ウオームを低く設定することで、定着ローラに付着したトナーアップ時間：120 秒（従来比 71%減）、定着部でのエネが加圧ローラ側に移行するよう、各ローラの被覆材のルギー消費効率：150Wh/h（従来比 40%減）と大幅な省最適化を図った。具体的には、定着ローラ被覆材としエネ化を達成した。て非導電性フッ素樹脂コート、加圧ローラ被覆材として導電性フッ素樹脂チューブを用いている。
W.U.T.(sec.)

3.5.2

熱反射板による定着ローラの放熱抑制▲71%

定着ローラをクリーナレス化することで、図 4 に示すように、定着ローラ周囲に輻射熱による放熱を抑制

Conventional fuser
Newly developed fuser
E.C.E.(Wh/h)▲40%するための熱反射板の設置が可能となった。
この熱反射板は輻射熱だけでなく、内部対流の抑制による断熱効果も有する。

0100200300

400500(sec. Wh/h)※E.C.E.：Energy consumption e ffic ien cy (Fu se r only)

図 13.

W.U.T./エネルギー消費効率比較

４．性能評価（従来方式との比較）
本定着システムを搭載した高速複合機 AR-705S（70５．まとめ枚/分）と、従来定着システム（アルミ製定着ローラ＋外部ローラ加熱や鉄製薄肉定着ローラ、温度/電力最内部ハロゲンランプ方式）を用いている AR-S650（65

適制御等の新規技術の開発により、定着ローラ熱容量枚/分）との性能比較を行った。

を従来比 1/6 以下に削減し、高速機用定着としてウオ

図 12 に熱効率の比較結果を示す。従来は供給電力のームアップ時間を従来比 71%減の 120 秒に短縮した。

内、50%がトナーや用紙に伝達し、残りが放熱等のロス

更に、高効率熱設計により、定着器の熱効率を 14%改となっていた。一方、本システムでは定着/加圧ローラ善した。これにより、定着器単体のエネルギー消費効の小径化や定着ローラのクリーナレス化、熱反射板の率として 40%の改善とコンティニュアスランによるリ設置等により、従来に比べ放熱量を約 43%削減した。

アルスループットを実現し、本定着システムを搭載しこれにより、定着器の熱効率としては 64%（従来比 14%たディジタル高速複合機 AR-555S/625S/705S において、増）に改善でき、その結果、コンティニュアスランに2006 年度の改正省エネルギー法基準値をクリアした。

よるリアルスループットを実現した。

ディジタル複合機は今後、カラーへのシフトも急速に進展すると予想されることから、今後、モノクロ機に比べ電力消費の大きいカラー機での省エネ技術開発

Conventionalfuserも推し進めていく。

50%

尚、本研究は、経済産業省からの補助金を原資とし▲43%

Newlydeveloped fuser

0

た「待機時消費電力削減技術開発」の一環として、新Available
Unavailable

64%

エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）との共同研究契約に基づき実施したものであり、関係各位に深200400

600

800

1000

く感謝致します。

1200Input power(W)図 12.

熱効率比較-6-